伊拉克A油田Asmari組碳酸鹽巖儲層天然裂縫發(fā)育特征與主控因素

董少群，孫福文，何娟，孫福亭，曾聯(lián)波，杜相儀

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 理學(xué)院，北京 102249；3.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；4.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028)

引 言

碳酸鹽巖油氣藏在全球分布廣泛，儲量巨大[1]。裂縫是碳酸鹽儲層中油氣的有效儲集空間和主要滲流通道，其發(fā)育規(guī)律和主控因素的研究對油氣勘探開發(fā)具有重要意義[2-5]。伊拉克A油田發(fā)現(xiàn)至今已有40余年[6]，重點開發(fā)了古近系漸新統(tǒng)—新近系中新統(tǒng)的Asmari組碳酸鹽巖儲層[7]，油田探明含油面積為 74.11 km2，探明原油地質(zhì)儲量為24 016.23×104m3，具有良好的勘探開發(fā)前景。儲層中的原生孔隙在早期被嚴(yán)重破壞[6]，天然裂縫和次生孔隙由于后期的構(gòu)造作用和成巖作用影響而較為發(fā)育。厘清研究區(qū)天然裂縫的成因類型、分布特征、形成期次及其控制因素，對于A油田的碳酸鹽巖油氣藏勘探開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。

前人已對A油田及附近區(qū)塊進(jìn)行了系列研究，如地層分布特征、沉積特征、儲層質(zhì)量、斷層形成時期、褶皺及斷層演化過程等[7-8]，也有針對裂縫走向、密度、開度等成果[9-11]。目前針對研究區(qū)裂縫的研究主要關(guān)注構(gòu)造演化對裂縫的影響，而缺乏裂縫類型系統(tǒng)分類的研究，不同類型裂縫的成因機(jī)制、主控因素及分布規(guī)律尚不明確，限制著研究區(qū)的油氣勘探開發(fā)和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。因此，針對上述問題，本文將綜合巖心、鑄體薄片、常規(guī)測井、成像測井、三維地震等資料，分析研究區(qū)裂縫的成因類型、不同類型裂縫的分布特征及裂縫發(fā)育的主控因素，厘清裂縫在研究區(qū)碳酸鹽巖儲層中的發(fā)育規(guī)律。

1 地質(zhì)概況

位于伊拉克東南部的A油田毗鄰伊朗[12]，是米桑油田群中三大油田之一，位于該油田群的北部，距巴格達(dá)約350 km、距巴士拉175 km[13]。A油田在構(gòu)造位置上位于波斯灣盆地北部的美索不達(dá)米亞盆地與扎格羅斯山前坳陷帶的過渡區(qū)[7](圖1)，主要因非洲-阿拉伯板塊與歐亞板塊碰撞的扎格羅斯造山運動形成。該地區(qū)現(xiàn)今表現(xiàn)為NW-NE向的不對稱狹長背斜，西部發(fā)育多條走向NW-NE的走滑斷層，中部發(fā)育NNW-SSE向的正斷層，[7-8,14]。

圖1 研究區(qū)及伊拉克地區(qū)構(gòu)造單元(據(jù)孫福亭等，2020，有改動)Fig.1 Location of the study area and the tectonic units of Iraq

漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)的Asmari組沉積于陸相到海相過渡時期，屬于大型混積型碳酸鹽巖儲層，巖性主要以灰?guī)r、白云巖為主，同時也有泥巖、砂巖和硬石膏等，儲層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)[15-17]。地層厚度在200～600 m，埋深在2 800～3 200 m。Asmari組與上覆Lower Fars組呈不整合接觸，Lower Fars組為蒸發(fā)臺地鹽湖沉積的致密膏巖層，為Asmari組的蓋層。Asmari組的主力產(chǎn)層為A段和B段。A段沉積于中新世，B段沉積于漸新世。A段發(fā)育海相碳酸鹽巖臺地白云巖沉積[6,18]，受構(gòu)造運動及水體動蕩影響，A段頂部白云巖沉積偶見石膏團(tuán)塊[19]。B段發(fā)育白云巖、灰?guī)r和砂巖混合沉積，以海相碳酸鹽巖臺地灰?guī)r為主，孔隙度高于A段的白云巖[20]。其中，A、B兩段為主力產(chǎn)層。A段平均孔隙度為8.7%，平均滲透率為10.6×10-3μm2，屬于低孔、中低滲儲層，裂縫最為發(fā)育；B段平均孔隙度為16.8%，平均滲透率為268.5×10-3μm2，屬于中孔、中高滲儲層，裂縫發(fā)育次之[21]。

2 裂縫成因類型及特征

該地區(qū)裂縫按照地質(zhì)成因可分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫兩大類型。本節(jié)將通過巖心、薄片、成像測井等資料對不同類型裂縫的特征進(jìn)行分析研究。

2.1 構(gòu)造裂縫及其形成期次

(1)裂縫特征

構(gòu)造裂縫是由于擠壓作用下的巖層斷裂和地層褶皺而形成，分為剪切裂縫和張裂縫[22]。

巖心描述顯示剪切裂縫以高角度為主，也可見部分低角度剪切裂縫。如圖2(a)所示，該類裂縫面平直，可見擦痕，延伸距離遠(yuǎn)，常呈組系出現(xiàn)，多數(shù)未被充填，部分裂縫面可見有機(jī)質(zhì)。薄片觀察顯示，剪切裂縫的開度范圍為5～50 μm，平均開度為38.9 μm，裂縫面平直，方向明顯，延伸較長，部分裂縫貫穿薄片(圖2(c))，不同裂縫之間可見切割、限制關(guān)系。早期形成的裂縫常被硬石膏、石膏、方解石或白云石等充填，晚期形成的裂縫多未被充填，可見切割生物碎屑現(xiàn)象。

巖心描述顯示，張裂縫的裂縫面多彎曲不平，延伸距離較短，常被硬石膏、方解石、白云石等礦物膠結(jié)充填(圖2(b))。薄片觀察顯示，張裂縫開度在30～100 μm，開度變化大，延伸長度從數(shù)百微米到數(shù)毫米不等，裂縫面不平直，部分被充填(圖2(d))。

圖2 構(gòu)造裂縫類型及特征Fig.2 Types and characteristics of structural fractures

(2)形成期次

剪切裂縫是研究區(qū)最為發(fā)育的裂縫類型，組系特征明顯。巖心、薄片上可見不同走向的剪切裂縫，且裂縫間存在切割、限制關(guān)系(圖2(c))，不同組系剪切裂縫充填程度不同，形成于不同時期。成像測井解釋的裂縫走向統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示，走向多為NNE-SSW和NNW-SSE向，也可以見部分NWW-SEE、NEE-SWW走向裂縫。

圖3 剪切裂縫走向玫瑰花圖Fig.3 Strike rose diagram of shearing fractures

綜合地質(zhì)背景、構(gòu)造及應(yīng)力場演化、巖心、薄片和成像測井分析，認(rèn)為研究區(qū)剪切裂縫是在晚白堊世—漸新世、中新世、上新世—更新世這3期構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成的，且以中新世的強(qiáng)烈擠壓變形階段為主。選取研究區(qū)NE-SW向的一個剖面建立平衡剖面(圖4(d))，對研究區(qū)構(gòu)造及應(yīng)力場演化進(jìn)行分析。在晚白堊世—漸新世，研究區(qū)處于弱擠壓階段(圖4(c))，構(gòu)造變形較小，在NE-SW向的弱構(gòu)造擠壓背景下裂縫發(fā)育較少；進(jìn)入中新世后，研究區(qū)處于強(qiáng)烈擠壓變形階段(圖4(b))，受近南北劇烈擠壓作用，發(fā)育以大量NNE-SSW和NNW-SSE走向為主的剪切裂縫(圖3)，該時期形成的裂縫少部分被充填；上新世—更新世研究區(qū)處于衰減擠壓階段(圖4(a))，主要受NE-SW向擠壓作用，發(fā)育以NWW-SEE、NEE-SWW走向為主的構(gòu)造裂縫(圖3)，該期裂縫形成較晚，較少被充填，部分裂縫被早期形成的裂縫限制。不同期次裂縫發(fā)育程度存在一定差異，中新世構(gòu)造變形強(qiáng)度最大，其形成的裂縫發(fā)育程度也最高，上新世—更新世的構(gòu)造變形減弱，其形成的裂縫發(fā)育程度低于中新世形成的構(gòu)造裂縫。

圖4 構(gòu)造及應(yīng)力場演化Fig.4 Evolution of structure and stress field

2.2 非構(gòu)造裂縫

非構(gòu)造裂縫主要有縫合線、層理縫、溶蝕裂縫和收縮裂縫。

縫合線是在壓實作用下巖石由于應(yīng)力集中被壓溶而形成的。縫合線在巖心上呈鋸齒狀近水平發(fā)育，多數(shù)被有機(jī)質(zhì)充填(圖5(a))，在鏡下可以觀察到其延伸較長(圖5(c))。

層理縫是在沉積和成巖過程中形成的。在巖心上可以觀察到，層理縫沿微層理面發(fā)育，開度小，部分被方解石、白云石充填(圖5(b))。

溶蝕裂縫是在早期孔隙、裂縫的基礎(chǔ)上發(fā)生地層水溶蝕而形成的。研究區(qū)部分巖心可見強(qiáng)烈的溶蝕現(xiàn)象，發(fā)育溶蝕裂縫，其形狀不規(guī)則，常將各類孔、縫連接在一起。薄片上可以觀察到，溶蝕裂縫開度較大，有的可以超過100 μm，規(guī)模不一，裂縫面粗糙(圖5(d))。

收縮裂縫是在成巖過程中，由于脫水收縮產(chǎn)生的張應(yīng)力形成的。巖心上的收縮裂縫多數(shù)規(guī)模較小，延伸較短；薄片上該類裂縫開度在5～30 μm(圖5(e))，多數(shù)被石膏或硬石膏充填。

3 裂縫發(fā)育主控因素

研究區(qū)儲層裂縫發(fā)育程度受沉積作用、成巖作用、構(gòu)造作用的綜合影響。本節(jié)將從巖性、層厚、壓實、壓溶作用、膠結(jié)作用、斷層、地層變形程度等綜合分析裂縫發(fā)育的主控因素。

3.1 巖性及層厚對裂縫影響

沉積作用是該區(qū)儲層裂縫發(fā)育的基礎(chǔ)，通過巖性和儲層厚度等影響裂縫的發(fā)育程度[23-26]。

(1)巖性與裂縫的關(guān)系

巖性是影響A油田Asmari組儲層構(gòu)造裂縫垂向發(fā)育程度的主要因素，不同巖性的儲層在相同構(gòu)造應(yīng)力作用下裂縫的發(fā)育程度存在差異。白云巖、灰?guī)r中構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度明顯高于泥巖、砂巖和膏巖(圖6)，白云巖裂縫發(fā)育段地層占白云巖層厚度的比例約為53%，灰?guī)r裂縫發(fā)育段地層占灰?guī)r層厚度的比例約為43%，而在砂巖、泥巖、膏巖中，該比例均小于15%，明顯低于白云巖和灰?guī)r。

圖6 構(gòu)造裂縫發(fā)育程度與巖性的關(guān)系Fig.6 Relationship between the development degree of structural fractures and lithology

構(gòu)造裂縫發(fā)育程度與巖石脆性呈正相關(guān)關(guān)系。A段儲層巖性以白云巖為主，孔隙度、滲透率低，巖石脆性高，構(gòu)造裂縫最為發(fā)育。B段巖性以灰?guī)r為主，生物孔、溶孔、晶間孔較發(fā)育，孔隙度、砂泥巖含量較高，B段塑性比A段強(qiáng)[27]，構(gòu)造裂縫發(fā)育程度低于A段。巖心資料統(tǒng)計結(jié)果顯示， A段裂縫密度大于2條/m，B段裂縫密度約0.5條/m(圖7)。

圖7 A-1井裂縫密度Fig.7 Fracture density of well A-1

(2)層厚與裂縫的關(guān)系

裂縫平均間距與巖層厚度大致呈遞增關(guān)系。研究區(qū)裂縫發(fā)育程度隨著巖層厚度的增加呈指數(shù)下降(圖8)。這是由于相同構(gòu)造應(yīng)力條件下，相近巖性組成的薄儲層比厚儲層抗剪切和抗拉張的能力低，因此，薄巖層更容易破裂，裂縫密度更高，即巖層越薄，裂縫間距越小。

圖8 構(gòu)造裂縫發(fā)育程度與巖層厚度的關(guān)系Fig.8 Relationship between the development degree of structural fractures and layer thickness

3.2 成巖作用對裂縫的影響

成巖過程中儲層受壓實、壓溶作用的影響會形成部分裂縫，同時裂縫的發(fā)育也會受膠結(jié)作用、溶蝕作用等的影響。成巖作用對裂縫的影響主要包括兩方面，一是控制非構(gòu)造裂縫的形成，二是通過改變儲層巖石力學(xué)性質(zhì)影響構(gòu)造裂縫的發(fā)育。

(1)壓實、壓溶作用與裂縫的關(guān)系

縫合線在研究區(qū)碳酸鹽巖儲層中廣泛發(fā)育，主要受壓實、壓溶作用的影響，在上覆地層壓力的作用下，碳酸鹽巖中接觸的沉積物顆粒之間會發(fā)生選擇性溶解而形成縫合線。此外，壓實作用使巖石顆粒和孔隙體積減小而變得致密，增大巖石強(qiáng)度，在經(jīng)過彈性變形后較小的應(yīng)變即可使巖石表現(xiàn)出脆性破裂變形而形成裂縫[28-29]。

(2)膠結(jié)作用與裂縫的關(guān)系

從研究區(qū)巖心、薄片中可以觀察到裂縫中充填的膠結(jié)物多為方解石、 石膏和硬石膏。 膠結(jié)作用會使早期形成的部分裂縫被膠結(jié)物充填，從而降低裂縫的滲流能力。同時膠結(jié)作用也會減小巖石孔隙體積，增大巖石脆性，使巖石更容易發(fā)生破裂。

(3)收縮作用與裂縫的關(guān)系

碳酸鹽巖儲層在收縮作用下，會形成張性微裂縫，可在鑄體薄片中被觀察到，通常發(fā)育在易發(fā)生收縮的石膏團(tuán)塊附近。

(4)溶蝕作用與裂縫的關(guān)系

目的層Asmari組A段頂部、B段中部溶蝕作用較為強(qiáng)烈，溶蝕裂縫發(fā)育。其中溶蝕作用強(qiáng)烈的區(qū)域，孔隙度有所增加，導(dǎo)致構(gòu)造裂縫發(fā)育程度顯著降低[30-31]。

3.3 構(gòu)造作用對裂縫的影響

構(gòu)造作用導(dǎo)致的地層變形及產(chǎn)生的斷層嚴(yán)重影響著構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度。A油田Asmari組巖性在平面上變化小，但構(gòu)造裂縫在不同區(qū)域發(fā)育程度差異大，主要受構(gòu)造作用控制。研究區(qū)受北東—南西向擠壓作用，整體表現(xiàn)為北西—南東向背斜構(gòu)造，存在南北兩個構(gòu)造高點，同時形成大量北北西—南南東走向的斷層。

(1)斷層與裂縫的關(guān)系

斷層對構(gòu)造裂縫具有控制作用，且斷層走向與裂縫走向具有良好的相關(guān)性。構(gòu)造裂縫走向與附近斷層走向多為一致、小角度相交或近垂直。 構(gòu)造裂縫發(fā)育程度受斷層影響，在斷層附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中會影響裂縫的發(fā)育情況[32-33]。不同規(guī)模的斷層對裂縫的影響程度有所差異。圖9中a、b、c這3條斷層規(guī)模不同，斷層a的延伸長度為6 595 m，切割深度2 001 m；斷層b的延伸長度為6 844 m，切割深度1 650 m；斷層c的延伸長度為3 341 m，切割深度434 m?；诘卣鹑诤蠈傩缘牧芽p發(fā)育指數(shù)[33]顯示，斷層a、b、c相關(guān)裂縫發(fā)育帶的寬度分別約為330 m、280 m、175 m。斷層相關(guān)裂縫的發(fā)育程度與斷層規(guī)模呈正相關(guān)關(guān)系，斷層規(guī)模越大，裂縫發(fā)育帶寬度也越大。

圖9 斷層與裂縫的關(guān)系Fig.9 Relationship between faults and fractures

(2)地層變形程度與裂縫的關(guān)系

儲層中構(gòu)造裂縫發(fā)育的程度與地層變形程度關(guān)系密切，通常地層變形程度較大部位的構(gòu)造裂縫密度較大，反之亦然。在研究區(qū)的構(gòu)造裂縫在平面上主要受構(gòu)造因素控制，背斜長軸的構(gòu)造高點處地層變形程度高，構(gòu)造裂縫也更為發(fā)育，而在遠(yuǎn)離背斜核部的區(qū)域構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較低。

4 討 論

綜上得出A油田Asmari組儲層裂縫發(fā)育受沉積作用、成巖作用、構(gòu)造作用共同影響。研究區(qū)目的層裂縫分布廣泛，在垂向上各層位皆有發(fā)育，發(fā)育程度由A段至B段逐漸降低。構(gòu)造裂縫受構(gòu)造作用影響最大，沉積作用次之。地層構(gòu)造變形越大，距離斷層越近，裂縫發(fā)育程度越高，例如在背斜核部附近且靠近斷層的地區(qū)，裂縫發(fā)育程度高，一般往往遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離斷層且構(gòu)造變形弱的地區(qū)。巖性和沉積環(huán)境直接決定巖層的力學(xué)性質(zhì)，相同構(gòu)造應(yīng)力條件下，其破裂程度會表現(xiàn)出差異，如A段白云巖脆性最高，裂縫發(fā)育程度高，薄層更易發(fā)生破裂。非構(gòu)造裂縫主要受沉積作用和成巖作用影響，沉積作用是基礎(chǔ)，成巖作用在沉積作用的基礎(chǔ)上影響非構(gòu)造裂縫。A段巖性以白云巖為主，B段以灰?guī)r為主，受礦物脆性的影響，A段裂縫發(fā)育程度高于B段。A段頂部沉積作用使得白云巖中夾雜膏巖團(tuán)塊，這是成巖過程中形成收縮裂縫的基礎(chǔ)。B段的巖性及高孔滲性使其在晚期的成巖過程中更容易被溶蝕，形成溶蝕裂縫。巖性變化及層理發(fā)育情況影響后期成巖作用下層理縫和縫合線的發(fā)育程度。對研究區(qū)裂縫發(fā)育特征與主控因素的研究也可為后期的多尺度裂縫建模提供依據(jù)[34-35]。

天然裂縫是巖石中液體滲流的重要通道，裂縫發(fā)育程度與采油指數(shù)呈較好的正相關(guān)關(guān)系。開展儲層裂縫的發(fā)育特征與主控因素研究不僅可以指導(dǎo)新井井位優(yōu)化和生產(chǎn)開發(fā)，還可以指導(dǎo)老井的生產(chǎn)制度優(yōu)化，充分釋放油田產(chǎn)能，延長油田的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)時間，對研究區(qū)碳酸鹽巖油藏高效開發(fā)至關(guān)重要。

5 結(jié) 論

(1)研究區(qū)Asmari組天然裂縫按地質(zhì)成因可以分為剪切裂縫、張裂縫、縫合線、層理縫、溶蝕裂縫和收縮裂縫，其中以高角度剪切裂縫為主。

(2)剪切裂縫主要為NNE-SSW、NNW-SSE向，也可見部分NWW-SEE、NEE-SWW向剪切裂縫，形成于晚白堊世—漸新世、中新世、上新世—更新世這3期構(gòu)造應(yīng)力時期。

(3)巖性是研究區(qū)天然裂縫發(fā)育的基礎(chǔ)，層厚控制裂縫發(fā)育的飽和程度，斷層控制相關(guān)裂縫的分布。

(4)平面上，構(gòu)造部位是控制裂縫發(fā)育程度差異的關(guān)鍵因素?？v向上，裂縫發(fā)育程度差異主要受巖性和層厚的控制。

致謝：文章內(nèi)容的撰寫及修改過程中得到張希晨、鮑明陽、徐輝、韓高松、楊衛(wèi)東、汪洪強(qiáng)的幫助，在此深表謝意！